海洋大數(shù)據(jù)及其可視化在課程教學(xué)中的應(yīng)用
——以“物理海洋學(xué)”為例

蔡華陽，傅林曦，歐素英

（中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519082）

引言

“物理海洋學(xué)”是海洋科學(xué)和海洋技術(shù)類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，旨在讓學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識海洋水體的基本物理現(xiàn)象，掌握對應(yīng)不同尺度水動力過程包括海流、海浪、潮波、內(nèi)波、赤道波動等海水的基本運(yùn)動規(guī)律及其長期演變趨勢等。從海洋科學(xué)和海洋技術(shù)專業(yè)的學(xué)科培養(yǎng)體系來說，先導(dǎo)基礎(chǔ)課程“海洋科學(xué)導(dǎo)論”已經(jīng)對海水的物理性質(zhì)、海水的基本運(yùn)動、海洋與大氣相互作用等相關(guān)現(xiàn)象及規(guī)律進(jìn)行了定性方面的論述，因此，“物理海洋學(xué)”課程必須區(qū)別于基礎(chǔ)定性課程。例如，該課程一般以“高等數(shù)學(xué)”“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”“數(shù)學(xué)物理方程”等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程及“流體力學(xué)”等理論基礎(chǔ)課程為基礎(chǔ)，主要采用概化理論解法，從定量角度研究海洋中的動力場、熱力場和鹽度場結(jié)構(gòu)，以及因此而產(chǎn)生的各種運(yùn)動的時(shí)空變化。由于課程內(nèi)容涉及大量的理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對學(xué)生的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)和抽象思維能力有較高要求，往往導(dǎo)致學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情不高、畏難厭學(xué)的情緒增濃，而教師的教學(xué)積極性也深受影響。

物理海洋學(xué)的研究手段除了概化理論解法外，還包括海洋觀測和數(shù)值計(jì)算方法，其中觀測是海洋科學(xué)研究的根本，無論是理論模型還是數(shù)值計(jì)算都以觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。近20年來，隨著海洋信息化的高速發(fā)展及各類探測裝備的不斷進(jìn)步，海洋數(shù)據(jù)體量（觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)等）呈爆炸式增長。目前，海洋領(lǐng)域已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，如何應(yīng)用海洋大數(shù)據(jù)不僅對海洋科學(xué)研究具有重要意義，對“物理海洋學(xué)”課程教學(xué)改革和實(shí)踐探索也極其關(guān)鍵。

隨著計(jì)算機(jī)模擬時(shí)代的高速發(fā)展，“物理海洋學(xué)”課程教學(xué)顯然已經(jīng)不能簡單停留在理論分析層面，還應(yīng)探究如何充分利用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)軟件（比如Matlab、R、Octave和Scilab等數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理及可視化工具）和全球共享數(shù)據(jù)庫的大批量海洋數(shù)據(jù)，以提高課堂的開放性和實(shí)用性，使課堂的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐應(yīng)用緊密結(jié)合，提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)熱情和課堂教學(xué)效果。本文針對物理海洋學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，以海洋大數(shù)據(jù)及其可視化為例，探討其在“物理海洋學(xué)”課程教學(xué)改革和實(shí)踐探索的具體應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

一、海洋大數(shù)據(jù)的獲取

海洋大數(shù)據(jù)是指對海洋自然環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、模擬及再分析而得到的數(shù)據(jù)，包括海洋動力（如海水溫度、海水鹽度、海面風(fēng)場、海面高度等）、海洋生態(tài)（如葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、有色可溶有機(jī)物等）、海洋生物（如浮游動物、浮游植物、初級生產(chǎn)力、魚類、貝類等數(shù)據(jù)）、海洋化學(xué)（如溶解氧、PH值、堿度、硝酸鹽、亞硝酸鹽、重金屬）、海洋底質(zhì)（如礦產(chǎn)資源、多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、沉積物、C14測年、粒度、氧同位素）、表層沉積物、水下地形、海冰、海水污染等其他海洋環(huán)境信息。海洋大數(shù)據(jù)的獲取方式主要包括實(shí)際觀測、海洋遙感觀測、海洋數(shù)值模擬及海洋數(shù)據(jù)再分析。因此，可將海洋大數(shù)據(jù)相應(yīng)地分為海洋實(shí)測數(shù)據(jù)、海洋遙感數(shù)據(jù)、海洋模式數(shù)據(jù)及海洋再分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

目前常用的國內(nèi)外權(quán)威的海洋大數(shù)據(jù)公共平臺包括綜合類和專門類兩種數(shù)據(jù)庫。綜合類海洋大數(shù)據(jù)網(wǎng)站主要包括國家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://mds.nmdis.org.cn/pages/home.html）、海洋科學(xué)大數(shù)據(jù)中心（http://www.casodc.com/）、國際海洋綜合大氣數(shù)據(jù)集（https://icoads.noaa.gov/data.icoads.html）、全球海洋數(shù)據(jù)庫（https://www.ncei.noaa.gov/products/world-ocean-database）和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（https://apps.ecmwf.int/datasets/）等。專門類海洋大數(shù)據(jù)網(wǎng)站主要包括中國Argo實(shí)時(shí)資料中心（http://www.argo.org.cn/）、國家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://www.chinare.org.cn/）、夏威夷大學(xué)海平面中心（https://uhslc.soest.hawaii.edu/datainfo/）、美國地質(zhì)調(diào)查局遙感數(shù)據(jù)（https://earthexplorer.usgs.gov/）和歐洲航天局衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）等。除了綜合和專門類的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站可獲取海洋大數(shù)據(jù)之外，數(shù)據(jù)雜志（Data Journal）的相繼推出為海洋大數(shù)據(jù)的集成、歸檔和使用提供了全新的形式。2012年Wiley出版集團(tuán)首次推出針對數(shù)據(jù)共享服務(wù)的“地球科學(xué)數(shù)據(jù)”（Geoscience Data Journal,https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/journal/20496060），用于科研工作者發(fā)表短篇的地球科學(xué)數(shù)據(jù)論文。之后，有更多的數(shù)據(jù)雜志發(fā)行（詳細(xì)可參考http://proj.badc.rl.ac.uk/preparde/blog/DataJournalsList），包括2014年由自然（Nature）出版集團(tuán)推出的在線出版的開放獲取雜志《科學(xué)數(shù)據(jù)》（Scientific Data,https://www.nature.com/sdata/）。

二、海洋大數(shù)據(jù)的可視化

當(dāng)前我國高等院校理工科實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)普遍使用商業(yè)化Matlab軟件用于數(shù)據(jù)處理及其可視化，部分高等院校采用開源免費(fèi)軟件替代Matlab，比如R、Octave和Scilab等。Matlab作為一款成熟的商業(yè)化軟件，具有穩(wěn)定性高、功能齊全、幫助系統(tǒng)完善、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，在我國高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到廣泛使用。海洋大數(shù)據(jù)的下載和可視化既可通過Matlab本身自帶的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、繪圖、信號處理、數(shù)據(jù)分析等工具箱，編寫相應(yīng)的程序或函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，又可借助前人的研究成果，比如針對基于Matlab的海洋大數(shù)據(jù)處理及其可視化程序或工具箱，主要包括兩個(gè)下載網(wǎng)站：Matlab自帶的文件共享平臺（Mathworks File Exchange,https://www.mathworks.com/Matlabcentral/fileexchange）、面向開源及私有軟件項(xiàng)目的托管平臺Github（https://github.com/）。在上述兩個(gè)網(wǎng)站通過輸入與海洋大數(shù)據(jù)及其可視化相關(guān)的關(guān)鍵詞即可找到相應(yīng)的程序或工具箱。目前，大部分的海洋大數(shù)據(jù)處理及可視化工具箱可直接通過SEAMAT 網(wǎng)站（https://sea-mat.github.io/sea-mat/）獲取。該網(wǎng)站提供時(shí)間序列分析（Time series Tools）、數(shù)值模擬（Numerical Modeling Tools）、地圖呈現(xiàn)（Mapping Tools）、海洋水文（Hydrographic Tools）、數(shù)據(jù)挖掘（Data Interface Tools）、海氣相互作用（Atmosphere-Sea Tools）和其他相關(guān)工具（Other Tools）。

海洋數(shù)據(jù)的可視化主要包括兩種方式：一是使用二維或三維的圖形函數(shù)將觀測或模擬數(shù)據(jù)以靜態(tài)圖形存儲，另一種則是動態(tài)演示圖，即以平面或三維立體方式動態(tài)顯示物理海洋要素的時(shí)空變化特征。另外，還有一種相對復(fù)雜的可視化方式為數(shù)值仿真結(jié)合教學(xué)視頻。例如，借助Matlab軟件，將解說聲音和海洋要素的時(shí)空變化圖像或各種海洋工況仿真合成并動態(tài)處理，采用視頻函數(shù)制作成教學(xué)視頻。不論是開源的可視化函數(shù)，還是借助于Matlab工具箱函數(shù)自編可視化程序，均需要對大數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取處理或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成可視化函數(shù)所需數(shù)據(jù)格式，如可大量存儲數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通用壓縮格式（netcdf格式）、mat格式或二進(jìn)制格式文件，Matlab為這些通用數(shù)據(jù)格式的讀寫提供了不同的函數(shù)。自編的數(shù)據(jù)處理及可視化程序，可隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整或增減，更易于進(jìn)行不同物理海洋要素的視頻制作。而開源程序或工具箱，其優(yōu)勢在于具有較為完善的教程使用說明。以基于Matlab的氣候數(shù)據(jù)工具箱（Climate Data Toolbox,https://github.com/chadagreene/CDT）為例，該工具箱包含一系列標(biāo)準(zhǔn)的Matlab函數(shù)，可用于分析和顯示海洋—大氣數(shù)據(jù)。這些函數(shù)具有處理效率高、使用簡便的特點(diǎn)，并附帶許多幫助教程和示例，這些教程和示例不僅提供了函數(shù)的使用方法，同時(shí)還能指導(dǎo)如何在海洋科學(xué)研究過程中闡明相關(guān)結(jié)果。（詳細(xì)的工具箱介紹及使用說明可參照網(wǎng)址：http://www.chadagreene.com/CDT/CDT_Contents.html.）

三、教學(xué)案例分析

在“物理海洋學(xué)”課程教學(xué)改革和探索過程中，基于鏈條式設(shè)計(jì)，以科學(xué)問題為導(dǎo)向，可將海洋大數(shù)據(jù)及其可視化貫穿應(yīng)用整個(gè)課程教學(xué)，并融入各個(gè)章節(jié)。課程前期的教學(xué)設(shè)計(jì)可結(jié)合網(wǎng)站中可供開源下載的海洋大數(shù)據(jù)，從激發(fā)學(xué)生探索問題的興趣、培養(yǎng)學(xué)生思考問題的能力出發(fā)，組織討論，篩選數(shù)據(jù)材料，有針對性地挑選海洋大數(shù)據(jù)，并對下載速度慢、耗時(shí)長的大數(shù)據(jù)預(yù)先進(jìn)行下載，形成課程附屬數(shù)據(jù)包。在此基礎(chǔ)上，針對各個(gè)章節(jié)的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，編寫數(shù)據(jù)讀取及可視化處理函數(shù)，生成物理海洋相關(guān)的溫度、鹽度、海平面高度等狀態(tài)參數(shù)時(shí)空變化的動態(tài)演示圖，不僅可用于課堂討論，亦是課后實(shí)踐的重要工具。下面以“物理海洋學(xué)”部分章節(jié)為例，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段方面，分析海洋大數(shù)據(jù)及可視化的應(yīng)用，剖析教學(xué)改革的具體內(nèi)容，探索具有現(xiàn)代海洋科學(xué)特色的教學(xué)實(shí)踐。

1.在“物理海洋學(xué)”緒論部分，在教學(xué)內(nèi)容上，主要結(jié)合海洋觀測技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，引入海洋大數(shù)據(jù)對學(xué)習(xí)物理海洋學(xué)的重要意義；在教學(xué)方法上，提供篩選后的網(wǎng)站，設(shè)計(jì)課后實(shí)踐操作，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，通過瀏覽網(wǎng)頁、小組歸納討論，總結(jié)我國與西方發(fā)達(dá)國家在物理海洋大數(shù)據(jù)建設(shè)及共享等方面存在的差距，激發(fā)學(xué)生建設(shè)海洋強(qiáng)國的歷史責(zé)任感和使命感。

2.關(guān)于基礎(chǔ)知識的課程教學(xué)，為區(qū)別與“海洋科學(xué)導(dǎo)論”課程相同內(nèi)容的定性講述，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上偏向定量分析和實(shí)踐教學(xué)，基于下載的全球地形、風(fēng)場、熱收支、溫度、鹽度和深度等數(shù)據(jù)，提供基于Matlab的可視化腳本程序作為附件，以動態(tài)演示引導(dǎo)學(xué)生思考各要素分布及變化特征；同時(shí)，增加課堂教學(xué)互動交流，通過大數(shù)據(jù)可視化操作，師生共同討論局部海洋各物理要素分布變化及其原因；課后作業(yè)，分小組選定某一物理海洋要素進(jìn)行可視化，并就其分布特征及原因進(jìn)行論述，提高學(xué)生獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作解決問題的能力。

3.在“物理海洋學(xué)”課程海水運(yùn)動方程組的教學(xué)內(nèi)容和方法中，同樣融入海水運(yùn)動相關(guān)的大數(shù)據(jù)及其可視化結(jié)果。課程開始時(shí)先提出問題，鼓勵學(xué)生思考海水運(yùn)動的主要形式，描述不同時(shí)空尺度的運(yùn)動在數(shù)學(xué)物理層面上的定量描述；以科學(xué)問題為導(dǎo)向，基于現(xiàn)階段的研究成果（海洋數(shù)值模型模擬結(jié)果），播放制作好的多種海洋運(yùn)動現(xiàn)象的視頻或動畫，包括海流、海浪、潮流、內(nèi)波等，直觀展示海水運(yùn)動的多種形式，引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)學(xué)物理方程和海水運(yùn)動現(xiàn)象聯(lián)系起來，從而激發(fā)學(xué)生理論學(xué)習(xí)的興趣。

4.在地轉(zhuǎn)流和EKMAN流的課堂教學(xué)中，海洋大數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面：首先在理論推導(dǎo)后，課堂演示全球海平面高度、風(fēng)應(yīng)力的動態(tài)變化，并提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考在實(shí)測月平均或年平均海平面高度、風(fēng)應(yīng)力場的驅(qū)動下，大洋理論流場會發(fā)生怎樣的調(diào)整和響應(yīng)；其次，輔以課后作業(yè)練習(xí)，要求學(xué)生采用Matlab軟件編寫地轉(zhuǎn)流和EKMAN流計(jì)算及可視化程序附件，分別計(jì)算不同年份地轉(zhuǎn)流場或EKMAN風(fēng)生流場，討論概化海流運(yùn)動的時(shí)空變化，強(qiáng)化“物理現(xiàn)象—解析理論—物理現(xiàn)象”的閉環(huán)研究思路，提升教學(xué)內(nèi)容與應(yīng)用實(shí)踐的契合度。

5.在講述海洋潮汐理論時(shí)，則有效利用全球大洋潮汐模式數(shù)據(jù)，采用Matlab等可視化工具，探討全球主要天文分潮的振幅和相位的時(shí)空變化特征及規(guī)律；在海洋波浪理論的課堂教學(xué)中，基于已編寫小振幅波和Stokes波的可視化程序，圍繞波浪傳播及水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的特性，進(jìn)行課堂演示及討論；下載相關(guān)的波浪數(shù)據(jù)庫（例如中國近海波浪數(shù)據(jù)庫），繪制實(shí)測海浪譜，加深對海浪譜的理解，統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)域的有效波高、平均周期、波向和波浪能等特征參數(shù)。

下面以“物理海洋學(xué)”課程中《赤道波動及其對全球氣候變化響應(yīng)》這一章節(jié)為例，針對赤道中東太平洋海表水溫采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）方法進(jìn)行大數(shù)據(jù)的具體分析。在理論知識方面，要求學(xué)生根據(jù)教材內(nèi)容思考以下幾個(gè)問題：（1）赤道中東太平洋海表水溫的空間分布特征；（2）海表水溫的長期演變趨勢；（3）海表水溫的異常變化與ENSO的關(guān)系；（4）如何提取海表水溫的特征時(shí)空模態(tài)。在理論知識講解的基礎(chǔ)上，通過基于Matlab軟件的氣候數(shù)據(jù)工具箱，運(yùn)行工具箱中的eof_document.m函數(shù)教程并回答上述幾個(gè)思考題。在eof_document.m函數(shù)教程中，采用氣候數(shù)據(jù)工具箱自帶的赤道中東太平的1950—2016年的月均海表水溫?cái)?shù)據(jù)（pacific_sst.mat）。若要分析其他海域海表水溫的時(shí)空變化特征，可下載相應(yīng)的數(shù)據(jù)（比如美國國家海洋大氣局物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.cobe.html），并生成與pacific_sst.mat相同的數(shù)據(jù)格式。

結(jié)語

海洋大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來，特別是物理海洋研究有關(guān)的大批量觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，已成為現(xiàn)代物理海洋學(xué)深入研究的基石?，F(xiàn)代高校的“物理海洋學(xué)”課程也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，有效結(jié)合海洋大數(shù)據(jù)，以提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)和探究的興趣，加深對海洋物理現(xiàn)象的認(rèn)識。因此，基于海洋大數(shù)據(jù)及其可視化的“物理海洋學(xué)”教學(xué)改革的目的在于，讓學(xué)生更主動、更深入地理解物理海洋學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，在此基礎(chǔ)上掌握分析和解決物理海洋學(xué)問題的方法和工具。通過海洋大數(shù)據(jù)的獲取、可視化及工具箱分析，使原來理論性和數(shù)理基礎(chǔ)要求非常高的“物理海洋學(xué)”課程變得生動，從而切實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及教學(xué)的實(shí)際效果。